Co to jest ceramiczna PCB?

Ceramiczna PCB, czyli ceramiczna płytka drukowana, to zaawansowany rodzaj płytki drukowanej. Oferuje doskonałą wydajność i niezawodność, szczególnie w wymagających zastosowaniach elektronicznych o wysokich parametrach. W przeciwieństwie do tradycyjnych płytek wykonanych z materiałów organicznych, takich jak włókno szklane czy żywica epoksydowa, ceramiczna PCB wykorzystuje materiały ceramiczne, które zapewniają unikalne właściwości i funkcje. Ze względu na właściwości odprowadzania ciepła, zdolność przewodzenia prądu, izolację oraz współczynnik rozszerzalności cieplnej, ceramiczne PCB są szeroko stosowane w modułach elektroniki dużej mocy, przemyśle lotniczym i elektronice wojskowej. Ceramiczna PCB wykorzystuje spajanie w wysokiej temperaturze do łączenia folii miedzianej z podłożem ceramicznym. Dzięki temu ceramiczna PCB charakteryzuje się silnym wiązaniem, folia miedziana nie odkleja się łatwo, zapewniając wysoką niezawodność i stabilność działania w warunkach wysokiej temperatury i wilgotności.

Typowe materiały na ceramiczne PCB

Do produkcji ceramicznych PCB można używać wielu materiałów. Wybierając materiał na ceramiczną PCB, projektant musi zwrócić uwagę na dwie podstawowe specyfikacje: przewodność cieplną PCB oraz współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE). Poniżej omawiamy najpopularniejsze materiały stosowane na ceramiczne PCB.

1. Alumina (Al2O3)

Alumina jest najczęściej stosowanym materiałem podłoża w podłożach ceramicznych, ponieważ w porównaniu z większością innych tlenków ceramicznych charakteryzuje się wysoką wytrzymałością i stabilnością chemiczną pod względem właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych. Ponadto źródła surowca są obfite, co czyni ją odpowiednią do różnych technik produkcyjnych i różnych kształtów. W zależności od zawartości tlenku glinu (Al2O3) dzieli się ją na porcelanę 75, porcelanę 96 i porcelanę 99,5. Właściwości elektryczne są prawie niezależne od zawartości tlenku glinu, ale właściwości mechaniczne i przewodność cieplna znacznie się różnią. Podłoża o niskiej czystości zawierają więcej faz szklistych, a ich powierzchnia jest bardziej chropowata. Im wyższa czystość podłoża, tym jest ono gładsze, gęstsze i ma niższe straty dielektryczne, ale też wyższą cenę.

2. BeO

Charakteryzuje się wyższą przewodnością cieplną niż metaliczne aluminium i jest stosowany w sytuacjach wymagających wysokiej przewodności cieplnej. Jego temperatura gwałtownie spada powyżej 300°C, ale jego rozwój jest ograniczony przez toksyczność.

3. AlN

Ceramika azotku glinu to ceramika, której główną fazą krystaliczną jest proszek azotku glinu. W porównaniu z podłożami ceramicznymi z tlenku glinu charakteryzuje się wyższą rezystancją izolacji i wytrzymałością napięciową izolacji oraz niższą stałą dielektryczną. Jej przewodność cieplna jest od 7 do 10 razy wyższa niż Al2O3, a współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) jest w przybliżeniu dopasowany do płytek krzemowych, co ma kluczowe znaczenie dla półprzewodnikowych chipów dużej mocy. W procesie produkcyjnym przewodność cieplna AlN jest w dużej mierze zależna od zawartości resztkowych zanieczyszczeń tlenowych. Zmniejszenie zawartości tlenu może znacznie poprawić przewodność cieplną.

Ceramiczna PCB – dwie strony

Rodzaje ceramicznych PCB

Istnieje wiele typów i specyfikacji ceramicznych PCB, a każdy typ jest zaprojektowany i używany do konkretnych zastosowań i wymagań. Oto kilka popularnych typów ceramicznych PCB:

1. Jednostronna ceramiczna PCB:To podstawowa ceramiczna PCB z jedną warstwą przewodzącą na podłożu ceramicznym. Jest zwykle stosowana w zastosowaniach wymagających wysokiej przewodności cieplnej, ale bez potrzeby stosowania skomplikowanych obwodów.
2. Wielowarstwowa PCB:Nadaje się do złożonych projektów obwodów, połączeń o wysokiej gęstości oraz zastosowań wymagających integralności sygnału.
3. Grubowarstwowa PCB:Technologia grubowarstwowa jest używana do tworzenia ścieżek przewodzących i rezystancyjnych na ceramicznej PCB. Grubowarstwowe PCB słyną ze swojej trwałości – dobrze sprawdzają się w środowiskach motoryzacyjnych, przemysłowych i innych trudnych warunkach.

Ceramiczne PCB można również podzielić na różne typy w zależności od procesu produkcyjnego:

1. PCB z bezpośrednim miedziowaniem (DPC):To technologia przetwarzania obwodów ceramicznych opracowana na bazie cienkowarstwowej obróbki ceramiki. Jako podłoże obwodu stosuje się ceramikę azotku glinu/tlenku glinu, na powierzchni podłoża osadza się warstwę metalu metodą napylania, a obwód tworzy się poprzez galwanizację i fotolitografię.
2. PCB z aktywacją laserową i metalizacją (LAM):Charakteryzuje się wysoką precyzją i dobrą siłą wiązania. Warstwa przewodząca może być dostosowana w zakresie od 1 μm do 1 mm, a zastosowanie czystej miedzi zamiast pasty srebrnej rozwiązuje problem przewodności otworów i siły wiązania, zapewniając bardziej stabilną ogólną wydajność.
3. PCB z bezpośrednim łączeniem miedzi (DBC):Metodą DBC wprowadza się odpowiednią ilość tlenu między miedź a ceramikę przed lub w trakcie procesu osadzania. Metodę tę stosuje się, gdy wymagana jest duża grubość miedzi od 140 µm (4 oz) do 350 µm (10 oz).
4. PCB ze współspalaniem niskotemperaturowym (LTCC):Technologia LTCC wykorzystuje tę samą metodę co kondensatory do wytwarzania różnych urządzeń ceramicznych. Formuje się je w piecu do spiekania w temperaturze 850–900°C. Aby uzyskać połączenia elektryczne między warstwami, przed drukowaniem należy wybić otwory i wypełnić je pastą srebrną.
5. PCB ze współspalaniem wysokotemperaturowym (HTCC):W procesie produkcyjnym nie dodaje się materiału szklanego. Różnica między HTCC a LTCC polega na tym, że PCB typu HTCC wypala się w temperaturze około 1600–1700°C w atmosferze gazowej. PCB typu HTCC mają tak wysoką temperaturę współspalania, że stosuje się w nich ścieżki obwodów wykonane z metali o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak wolfram, molibden czy mangan. W wysokich temperaturach płytki te działają bez uszkodzeń, ponieważ są zaprojektowane do pracy nawet w trudnych warunkach.

 

Zalety ceramicznych PCB

Ceramiczna PCB ma wiele zalet, które czynią ją dobrym wyborem do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, niezawodności i efektywności.

1. Wysoka przewodność cieplna:Materiały ceramiczne, takie jak Al2O3, AlN, SiC, charakteryzują się doskonałą przewodnością cieplną. Oznacza to, że ceramiczna PCB skutecznie odprowadza ciepło, zapobiega przegrzewaniu i zapewnia normalną i niezawodną pracę urządzeń elektronicznych dużej mocy.
2. Doskonałe właściwości elektryczne:Materiał ceramiczny ma niskie straty dielektryczne i dobre właściwości elektryczne, szczególnie przy wysokich częstotliwościach. Dzięki temu ceramiczna PCB doskonale nadaje się do obwodów radiowych, mikrofalowych, szybkich obwodów cyfrowych i podobnych zastosowań, gdzie integralność sygnału i niskie straty sygnału są bardzo ważne.
3. Wytrzymałość mechaniczna i trwałość:W porównaniu z organicznymi PCB, ceramiczna PCB ma lepszą wytrzymałość mechaniczną i sztywność. Sztywność sprawia, że ceramiczna PCB wytrzymuje naprężenia mechaniczne, wibracje i wstrząsy, dzięki czemu lepiej nadaje się do wymagających środowisk.
4. Odporność chemiczna:Ceramika jest wysoce odporna na chemikalia, roztwory, kwasy i zasady. Ta odporność sprawia, że ceramiczna PCB jest idealna do zastosowań w branżach, gdzie częsty kontakt z agresywnymi chemikaliami jest powszechny, takich jak motoryzacja, lotnictwo i przemysł.
5. Odporność na wysoką temperaturę:W porównaniu z tradycyjnymi organicznymi PCB, ceramiczna PCB wytrzymuje wyższe temperatury, co jest bardzo ważne w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, gdzie produkty elektroniczne muszą działać niezawodnie w wysokich temperaturach.
6. Mniejsze rozmiary:Ceramiczna PCB umożliwia stosowanie drobnych ścieżek, mniejszych komponentów i połączeń o wysokiej gęstości, dzięki czemu projektanci mogą tworzyć kompaktowe projekty. Ta cecha jest ważna w zastosowaniach wymagających mniejszych rozmiarów bez utraty wydajności.
7. Integralność sygnału: Ceramiczna PCB zapewnia doskonałą integralność sygnału dzięki niskim stratom dielektrycznym i wysokiej stałej dielektrycznej, szczególnie przy wysokich częstotliwościach. Dzięki tej cesze ceramiczna PCB nadaje się do szybkiej transmisji danych i systemów komunikacyjnych.
8. Kompatybilność z trudnymi warunkami:Ponieważ ceramika ma właściwości odporności na ciepło i chemikalia, dobrze sprawdza się w trudnych warunkach, na przykład w poszukiwaniach ropy i gazu, przemyśle lotniczym i zastosowaniach wojskowych.
9. Niezawodność i długa żywotność:Połączenie wysokich parametrów termicznych, wytrzymałości i odporności chemicznej przyczynia się do długotrwałej niezawodności ceramicznych PCB, zmniejszając ryzyko awarii i wydłużając żywotność urządzeń elektronicznych.
10. Możliwość dostosowania:Ceramiczna PCB może być dostosowana do konkretnych wymagań projektowych, w tym materiału bazowego, konfiguracji warstw, układu i rozmieszczenia komponentów, co pozwala projektantom zoptymalizować obwód pod kątem zastosowania.
11. Parametry EMI/EMC:Materiały ceramiczne z natury oferują lepszą odporność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) dzięki swoim właściwościom elektrycznym i zdolnościom ekranowania.

Widok z boku PCB ceramicznego

Wady ceramicznych PCB

Jak wspomnieliśmy powyżej, ceramiczna PCB ma wiele zalet w porównaniu z innymi PCB, ale istnieją również pewne potencjalne wady, które należy wziąć pod uwagę.

1. Kruchość:Ze względu na naturalne właściwości ceramiki jest ona krucha podczas obsługi, montażu i testowania. Dlatego personel inżynieryjny musi zwracać szczególną uwagę na ceramiczną PCB w wymienionych procesach.
2. Koszt:Ceramika jest materiałem o rozsądnej cenie. Jednak po uwzględnieniu wszystkich czynników jest ona nadal znacznie droższa niż tradycyjna PCB. Projektant musi zatem rozważyć, czy wykonanie ceramicznej PCB jest bardziej opłacalną opcją.

Zastosowanie ceramicznych PCB

• Moduły elektroniki dużej mocy, ogniwa baterii słonecznych
• Wysokoczęstotliwościowe przełączniki mocy, przekaźniki półprzewodnikowe
• Elektronika samochodowa, lotnicza i wojskowa
• Oświetlenie LED dużej mocy
• Anteny telekomunikacyjne, samochodowe zapalniczki

Ceramiczna PCB stała się idealnym wyborem do zastosowań dużej mocy i wysokiej częstotliwości dzięki doskonałej przewodności cieplnej, wysokiej stabilności i znakomitej wydajności. W dziedzinach 5G i nowej energii napędza technologię elektroniczną w kierunku bardziej wydajnym i niezawodnym, stanowiąc kluczowy materiał dla przyszłej zaawansowanej produkcji elektronicznej.

Firma Jerico PCB od 16 lat, od 2009 roku, specjalizuje się w produkcji ceramicznych PCB. Wsparliśmy setki projektów od koncepcji, przez prototyp, aż po produkcję masową, dzięki naszej niezawodnej i wydajnej usłudze wytwarzania ceramicznych PCB w obszarach nowej energii i telekomunikacji. Wierzymy, że jeśli robimy to, w czym jesteśmy dobrzy, z każdym dniem stajemy się coraz bardziej profesjonalni dzięki wsparciu i zaufaniu naszych klientów. Porozmawiajmy dziś o Twoim projekcie ceramicznej PCB i zobaczmy, jak możemy przyczynić się do Twojego sukcesu.